CN105277028A - 一体化结构热控环路热管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一体化结构热控环路热管，包括管内填充有相变介质的结构热控中空金属管体，其中：结构热控一体化中空金属管是由冷凝管和蒸发器串联形成的环路热管LHP，蒸发器两侧连接有通过蒸汽管和回流管的储液器，两侧储液器中都充满了液态的工质；热源发出的热量被蒸发管吸收后，液态工质发生相变，液态工质通过蒸汽管进入冷凝管放热而凝结，经回流管回流到蒸发管，完成一次完整的环路热管循环。本发明采用一体化，使用半导体制冷的方式，使得发出于复杂结构内部的热量能够被有效地导出，极大地提高了热管热控系统的适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种主要用于航空电子设备的一体化结构热控环路热管。
背景技术
热导管或称热管系一种具有快速传导热量作用的散热构件，其中空的金属管体，使其具有质轻的特点，而其具有优异的热超导性能，则是其具有快速传热的特性；热管的运用范围相当广泛，最早期运用于航太领域，现已普及运用于各式热交换器和冷却器等能量交换装置，担任起快速热传导的角色，也是现今电子产品散热装置中最普遍高效的非散热导热元件。热管是一种热阻极小的热导体，通过热管可以以极低的热阻和温差实现极高热量的传递。目前普通热管由密封在直管子中的工质材料制作成的，管内充入有相变介质，热管通常被分为蒸发段、绝热段和冷凝段，在蒸发段吸热后汽化，气态工质流动到冷凝段后放热并凝结，而后液态工质流动到蒸发段再次吸热汽化完成换热循环。它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管使用真空封装的金属管将热自一点传导至另一点。
虽然普通热管强化了传热，但通过长期的工程实践发现，普通热管存在以下问题：抗过载能力不足。普通热管由于气相和液相都集中在同一根管道中，在遭遇大过载时气、液很容易集中在热管的某一端，使得另外一端形成工质的真空区，从而使得热管失效。另外，当气液两相流都由于力的作用而集中在热管一端时，很容易相互干扰、拉平压力和温度，导致气相的温度、压力下降，液相的温度、压力上升，使得之前已经被吸收的热量迟滞在热管中的某一段甚至被“退还”回去。
系统均温性不佳，目前，某些电子设备对芯片间的温度均匀性要求较高。由于每套普通热管都和其热源、冷端一起独立组成一套系统，因此，热源之间没有关联性，可能会存在温差较大的现象。在普通热管的使用过程中，如果存在与管的方向相同的较大加速度，则工质会集中于管的某一端。
结构适应性设计能力不强。由于电子设备的结构形式千变万化，普通热管在设计的时候可能会遇到尺寸、形状上的问题。
发明内容
为克服现有技术热管在大过载条件下传热能力不足、结构适应性设计能力不强和系统均温性不佳的缺陷，本发明提供一种适用于大过载、高热流密度和安装形式复杂电子设备的一体化结构热控环路热管。
为了实现上述目的，本发明采取的技术途径是，一体化结构热控环路热管，包括管内填充有相变介质的结构热控中空金属管体，其特征在于：结构热控一体化中空金属管是由冷凝管和蒸发器串联形成的环路热管LHP，蒸发器两侧连接有通过蒸汽管和回流管的储液器，两侧储液器中都充满了液态的工质；热源发出的热量被蒸发管吸收后，液态工质发生相变，液态工质通过蒸汽管进入冷凝管放热而凝结，经回流管回流到蒸发管，完成一次完整的环路热管循环。与此同时，在冷凝管上采取半导体制冷的方式，使得冷凝管的边界能够保持相对较低的恒温，从而达到持续冷凝的效果。
本发明针对特定的结构采用的一体化结构热控环路热管(LHP)，从而使热管这种高效的热控系统可以用在航空电子设备上，增加了适用范围。采用串并联模式冷凝管和蒸发器提高了抗加速度能力，可提供不低于3m的反重力能力。采用多蒸发器串并联的方式，在实现了单冷凝器与多蒸发器连接、同时为多热源进行热控的基础上，使用串并联的方法对环路热管系统进行优化，提高了各蒸发器表面的温度均匀性，也就存在更宽泛的应用领域。从使用效果来看，本发明可将多个热源(单个热耗在200W～1500W范围内)的温度一致性控制在±1℃的范围内。解决了均温性的问题。
各热源间的均温性更佳。本发明针对抗过载能力不足的问题，在环路热管中加入双储液器，采用双储液器结构提高了对加速度的耐受性能和抗加速度能力。在蒸发器两侧加入储液器之后，由于两个储液器中都充满了液态的工质，因此无论存在朝向管子哪一端的加速度，都存在不可压缩流体的反作用力与加速度产生的作用力达成平衡。所以，在加入双储液器之后，反重力能力不低于3米，本环路热管在高加速度下的传热能力就能够得到保证，极大地提高了热管的抗力学适应性能力。
针对台电子设备中存在很多高热流密度热源的情况，本发明采用多蒸发器的设计形式。但是，多蒸发器会带来温度均匀性的问题，即由于热源的热耗、表面积存在差异，会导致不同的蒸发器表面温度不一致。针对此问题，本发明创造性地采用串并联蒸发器的结构形式，能够保持较好的温度一致性。
力学适应性更好。本发明针对普通热管在电子设备中安装时尺寸、形状不合适，以及接触热阻较高、接触面较小的问题，采取了结构热控一体化的设计方法。此一体化设计方法的技术重点主要有两点：一是针对不同结构形式，将结构部分(结构件)和热控部分(蒸发器)进行一体化设计，使得与发热体接触的冷板同时具有两方面的功能；二是采用半导体制冷器(TEC)，将冷端贴在冷凝换热器上，使热端与外部热沉进行换热，达到将热量传出的目的。
结构适应性更好。本发明采用一体化，使用半导体制冷的方式使得发出于复杂结构内部的热量能够被有效地导出，极大地提高了热管热控系统的适用范围。
提高了电子设备的可靠性。当本发明应用在高热流密度的电子设备上之后，该电子设备即可解决一直无法很好解决的加速度适应性问题。当航空器作大过载机动时，电子设备仍然可以保持正常运行，从而避免了大过载时由于温度突然升高导致的电子设备失效，从而影响到航空器的安全运行。无论是相比于传统的液冷方案还是相比于普通的热管设计，本发明更能在恶劣的环境条件下工作，提高航空电子设备的可靠性。
附图说明
图1是本发明一体化结构热控环路热管原理示意图。
图2是图1蒸发器的剖视图。
图3是一体化结构热控环路热管的实施例示意图。
图2中：1蒸发器，2第二储液器，3液体干道，4毛细芯，5液体引管。6第一储液器，7蒸汽槽通道，8蒸汽管线。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的一个最佳实施例中，一体化结构热控环路热管，包括管内填充有相变介质的结构热控一体化中空金属管体，其中：结构热控中空金属管是由冷凝管和蒸发器串联形成的环路热管LHP，蒸发器两侧连接有通过蒸汽管和回流管的储液器，两侧储液器中都充满了液态的工质；热源发出的热量被蒸发管吸收后，液态工质发生相变，液态工质通过蒸汽管进入冷凝管放热而凝结，经回流管回流到蒸发管，完成一次完整的环路热管循环。在冷凝管上采用半导体制冷器(TEC)，将冷端贴在冷凝管上，使热端与外部热沉进行换热。
参阅图2。蒸汽管和回流管两侧连接蒸发器1，并同时连接蒸汽槽通道7两端的第一储液器6、第二储液器2、装配在蒸汽槽通道管体内的毛细芯4和通过第一储液器6贯通毛细芯内置液体干道3的液体引管5。在第一储液器6内侧制有径向连通蒸汽槽通道7的蒸汽管线8。在普通热管的使用过程中，如果存在与管的方向相同的较大加速度，则工质会集中于管的某一端；在蒸发器1两侧加入第二储液器2、在第一储液器6之后，由于两个储液器中都充满了液态的工质，因此无论存在朝向管子哪一端的加速度，都存在不可压缩流体的反作用力与加速度产生的作用力达成平衡，使得毛细芯4和液体引管5中的介质不会出现回流。
参阅图3描述了一种典型的实施例，应用了图1中环路热管的原理以及图2中蒸发器的结构。本实施例以4个热源和5个平板蒸发器为例：在系统中，热源9的热耗最小，热源12的热耗最大，中间依次增长；将平板蒸发器13和15进行串联形成环路，再与其他平板蒸发器14、16和17形成并联环路，最终形成整个系统，这样能够保持较好的温度一致性。如果存在更多的热源，亦可在此基础上进行类似的扩展。1个冷凝换热器，2个储液器，1个热源9，1个热源10，1个热源11和1个热源12，5个平板蒸发器13、14、15、16和17，5个蒸汽管18、19、20、21和22,5个回流管23、24、25、26和27构成。冷凝换热器、储液器、平板蒸发器、蒸汽管和回流管共同组成了环路热管；平板蒸发器13、14、15、16和17本身也是结构件，与热源1、热源2和热源3和4共同构成了一套高热流密度的电子设备。
Claims (4)
1.一体化结构热控环路热管，包括管内填充有相变介质的结构热控中空金属管体，其特征在于：结构热控一体化中空金属管是由冷凝管和蒸发器串联形成的环路热管LHP，蒸发器两侧连接有通过蒸汽管和回流管的储液器，两侧储液器中都充满了液态的工质；热源发出的热量被蒸发管吸收后，液态工质发生相变，液态工质通过蒸汽管进入冷凝管放热而凝结，经回流管回流到蒸发管，完成一次完整的环路热管循环。
2.如权利要求1所述的一体化结构热控环路热管，其特征在于：蒸汽管和回流管两侧连接蒸发器(1)，并同时连接蒸汽槽通道(7)两端的第一储液器(6)、第二储液器(2)、装配在蒸汽槽通道管体内的毛细芯(4)和通过第一储液器(6)贯通毛细芯内置液体干道(3)的液体引管(5)。
3.如权利要求1所述的一体化结构热控环路热管，其特征在于：在第一储液器(6)内侧制有径向连通蒸汽槽通道(7)的蒸汽管线(8)。
4.如权利要求1所述的一体化结构热控环路热管，其特征在于：在蒸发器(1)两侧加入第二储液器(2)、在第一储液器(6)之后，两个储液器中都充满了液态的工质，无论存在朝向管子哪一端的加速度，都存在不可压缩流体的反作用力与加速度产生的作用力达成平衡，使得毛细芯4和液体引管5中的介质不会出现回流。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |